选修3-3-第十章-热力学定律(全章上课教案ppt)

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,#,选修,3-3,第十章,热力学定律,1818,年,12,月,24,日生于英国曼彻斯特 ，起初研究电学和磁学。,1840,年在英国皇家学会上宣布了电流通过导体产生热量的定律，即焦耳定律。,焦耳测量了热与机械功之间的当量关系,热功当量,，为热力学第一定律和能量守恒定律的建立奠定了实验基础。,一、焦耳的实验,系统只由于外界对它做功而与外界交换能量它不从外界吸热，也不向外界放热，这样的过程叫,绝热过程,绝热过程：,焦耳实验是一个需要在绝热过程中完成的实验,第一节 功和内能,焦耳,焦耳二个代表性实验：,焦耳热功当量实验装置,机械功,实验结论：只要重力所做的功相同，容器内水温上升的数值都是相同的，即系统状态的变化是相同的。,焦耳二个代表性实验：,焦耳热功当量实验装置,电功,实验结论：只要所做的电功相等，则系统温度上升的数值是相同的，即系统的状态变化是相同的。,从焦耳的实验中可以得出什么结论？,1.,在各种不同的绝热过程中，系统状态的改变与,做功方式,无关，仅与,做功数量,有关。,2.,测出了热功当量（热与机械功之间的当量关系），为热力学第一定律和能量守恒定律的建立奠定了实验基础。,在热力学系统的绝热过程中，外界对系统所做的功仅由过程的,始末两个状态,决定，不依赖于做功的,具体过程和方式。,类比思考：哪些力做功仅由物体的起点和终点两个位置决定，与物体的运动路径无关？,重力,电场力,重力做功对应重力势能,电场力做功对应电势能（电能）,在热力学系统的绝热过程中，外界对系统所做的功仅由过程的始末两个状态决定，不依赖于做功的具体过程和方式。,功是能量转化的量度,内能,U,：只依赖于系统自身状态的物理量,内能与状态参量温度、体积有关，即由它的状态决定,绝热过程，内能的增加量,U,U,2,U,1,等于外界对系统所做的功,U,W,二、内能,呈现雾状,1.,系统指的是什么？,实验研究的对象是瓶中的气体与打气筒中的气体，那么我们的系统也就是这二部分气体。,2.,出现了什么现象？,3.,为什么会呈现雾状？,为什么会呈现雾状？,当用打气筒向瓶内打气时，外界对系统做功，使得系统的内能增加，温度升高，压强增大，使瓶塞从瓶口中喷出。看到雾状物的原因在于，在塞子突然跳起时，气体绝热膨胀对外做功，内能减少，温度下降，水蒸汽（或酒精蒸气）有一部分被液化成小液滴,小结,1,、焦耳热功当量实验,2,、绝热过程,3,、物体内能的宏观描述,4,、绝热过程中作功和内能的关系,1.,下列说法正确的是（ ）,A,分子的动能与分子的势能的和叫做这个分子的内能,B,物体的分子势能由物体的温度和体积决定,C,物体的速度增大时，物体的内能增大,D,物体的内能减小时，物体的温度可能增加,D,练习巩固,2.,一个铁块沿斜面匀速滑下，关于物体的机械能和内能的变化，下列判断中正确的是（ ）,A,物体的机械能和内能都不变,B,物体的机械能减少，内能不变,C,物体的机械能增加，内能增加,D,物体的机械能减少，内能增加,D,如图所示,绝热具有一定质量的活塞,活塞的上部封闭着气体,下部为真空,活塞与器壁的摩擦忽略不计,置于真空中的轻弹簧的一端固定于理想气体容器的底部,.,另一端固定在活塞上,弹簧被压缩后用绳扎紧,此时弹簧的弹性势能为,E,P,(,弹簧处于自然长度时的弹性势能为零,),现绳突然断开,弹簧推动活塞向上运动,经过多次往复运动后活塞静止,气体达到平衡态,经过此过程,（ ）,A,E,P,全部转换为气体的内能,B. E,P,一部分转换成活塞的重力势能,其余部分仍,为弹簧的弹性势能,C,E,P,全部转换成活塞的重力势能和气体的内能,D,E,P,一部分转换成活塞的重力势能,一部分转换,为气体的内能,其余部分仍为弹簧的弹性势能,04,年全国理综,17,理想气体,D,05,年全国卷,19.,一定质量的气体经历一缓慢的绝热膨胀过程。设气体分子间的势能可忽略，则在此过程中（ ）,A,外界对气体做功，气体分子的平均动能增加,B,外界对气体做功，气体分子的平均动能减少,C,气体对外界做功，气体分子的平均动能增加,D,气体对外界做功，气体分子的平均动能减少,D,问题与练习,4.,（,1,）气体在真空中绝热膨胀,的过程中，不受阻力，所以气体,不做功。,需要特别注意的是，当气体向真空中膨胀时，气体不做功，这样的膨胀通常称为自由膨胀,（,2,）气体在大气中绝热膨胀的过程中，气体对外做功，所需要的能量来自于,气体的内能，因此在此过程中，,气体的内能要减少。,K,10-1-1,a,b,c,d,气体,A,真空,B,K,10-1-2,a,b,c,d,气体,A,气体,C,拓展,对于气体在膨胀或压缩的情况下，气体做功有如下结论：膨胀时气体对外界做功；压缩时外界对气体做功也即气体体积增大，则气体对外界做功；气体体积减小，则外界对气体做功若在绝热的情况下，气体对外界做功其内能减少；外界对气体做功其内能增加,第二节,热和内能,一、热传递,两个温度不同的物体互相接触时温度高的物体要降温，温度低的物体要升温，并将持续到系统间达到热平衡即温度相等为止，这个过程称之为,热传递,热传递的三种方式：热传导、热对流、热辐射,二、热和内能,在外界对系统没有做功的情况下，,内能和热量之间有什么样的关系呢？,即在外界对系统不做功的情况下，外界传递给系统的热量等于系统内能的改变量,U,Q,做功是内能和其他形式的能发生转化,热传递,是不同物体或同一物体不同部分,内能的转移,做功和热传递在改变物体的内能上是等效的,但,是它们还是,有,重要,区别,的,U,Q,U,W,不同能量形式的转化,同种能量形式的转移,例,1,、如果铁丝的温度升高了，则（ ）,A.,铁丝一定吸收了热量,B.,铁丝一定放出了热量,C.,外界可能对铁丝做功,D.,外界一定对铁丝做功,解析：,做功和热传递对改变物体的内能是等效的，,温度升高可能是做功，也可能是热传递。故,C,正确。,答案：,C,例,2,下列关于热量的说法，正确的是 （ ）,A.,温度高的物体含有的热量多,B.,内能多的物体含有的热量多,C.,热量、功和内能的单位相同,D.,热量和功都是过程量，而内能是一个状态量,解析：,热量和功都是过程量，而内能是一个状态量，,所以不能说温度高的物体含有的热量多，内能多的,物体含有的热量多；热量、功和内能的单位相同都,是焦耳。选,C,、,D,答案：,C,、,D,注意：,热量是单纯的传热过程中系统内能变化的一个量度，是一个,过程量,，不能讲在某个时刻物体具有多少热量应该讲在热传递过程中有多少热量从高温物体传递到了低温物体,热传导,热沿着物体传递的热传递方式，不同物质传到热的能力各不相同，容易传到热的物体称之为热的良导体，所有金属都是热的良导体，不容易传导热的物体称之为热的不良导体，如空气、橡胶、绒毛、棉纱、木头、水、油等,热对流,靠液体或气体的流动来传递热的方式，热对流是液体和气体所特有的热传递方式,热辐射,热从高温物体向周围以电磁波的形式沿直线射出去的方式，热辐射不依赖媒介质，可在真空中进行，温差越大，表面颜色越深，物体向外的热辐射能力越强,一、热传递说明：两个温度不同的物体互相接触时温度高的物体要降温，温度低的物体要升温，并将持续到系统间达到热平衡即温度相等为止。在这个过程中我们说，热量从高温物体传递到了低温物体，这个过程称之为热传递。问：热传递分别有哪几种方式？（热传导、热对流、热辐射）问：这三种方式如何区分？（热沿着物体传递的传递方式，不同物质传到热的能力各不相同，容易传到热的物体称之为热的良导体，所有金属都是热的良导体，不容易传导热的物体称之为热的不良导体，如空气、橡胶、绒毛、棉纱、木头、水、油等；热对流是靠液体或气体的流动来传递热的方式，热对流是液体和气体所特有的热传递方式，热辐射是热从高温物体向周围以电磁波的形式沿直线射出去的方式，热辐射不依赖媒介质，可在真空中进行，温差越大，表面颜色越深，物体向外的热辐射能力越强）二、热和内能问：改变物体的内能有哪两种方式？（做功和热传递）问：在系统绝热过程中，内能和功之间有怎样的关系？（,U,W,，即在系统和外界没有热交换的情况下，外界对系统所做的功等于系统内能的改变量）问：在外界对系统没有做功的情况下，内能和热量之间有什么样的关系呢？（,U,Q,，即在外界对系统不做功的情况下，外界传递给系统的热量等于系统内能的改变量）问：热量有什么需要注意的地方？（内能是单纯的传热过程中系统内能变化的一个量度，是一个过程量，与功类似，我们知道功是一个过程量，不能讲某个时候物体具有多少功，而应该讲在某个过程中物体做了多少功。与此相类似，不能讲在某个时刻物体具有多少热量应该讲在热传递过程中有多少热量从高温物体传递到了低温物体）问：做功和热传递对改变物体的内能有什么区别吗？（做功是内能和其他形式的能如机械能、电能等等发生转化；而热传递是不同物体或同一物体不同部分内能的转移）,第三节,热力学第一定律,能量守恒定律,复习回顾问题,1,、一个物体，如果它跟外界不发生热交换，那么外界对它做功与物体对外做功，会引起物体内能怎样的变化？,答案：,外界对物体做功，物体的内能增加；物体对外界做功，物体的内能减少。,2,、一个物体，如果外界与物体之间没有做功，那么物体吸热与放热会引起物体内能的怎样的变化？,答案：,物体吸热，物体的内能增加；物体放热，物体的内能减少。,3,、如果物体跟外界同时发生做功和热传递的过程，,W,、,Q,、,U,的正负号如何确定？,答案：,外界对物体做功,W,为正，物体对外做功,W,为负；物体吸热,Q,为正，物体放热,Q,为负；物体内能增加,U,为正，物体内能减少,U,为负,4,、,W,、,Q,、,U,它们的关系式应该是怎样？,U = W + Q,一、热力学第一定律,U = W + Q,热一律：一个热力学系统的内能增量等于外界向它传递的热量与外界对它做的功的和,U = Q + W,物体的内能增加,，,U,0,外界对物体做功，,W,0,物体对外做功，,W,0,物体,对,外界,放出,热量,，,W,0,物体的内能,减少，,U,0,二、能量守恒定律,能量既不会凭空产生，也不会凭空消失，,它只能从一种形式转化为另一种形式，,或者从一个物体转移到别的物体，,在转化和转移的过程中其总量不变。,永动机不可能制成,原因：违反机械能守恒定律,一定质量的气体，气体受热膨胀对外界做了,2.0,10,5,J,功，同时它的内能增加了,1.0,10,5,J,，气体是吸热还是放热？吸收或放出的热量为多少？,答案：吸热,3.0,10,5,J,随堂练习,：,三、,能量守恒定律的应用,(1),能量守恒定律是支配整个自然界运动、发展、变化的普遍规律，热力学第一定律、机械能守恒定律都是能量守恒定律的具体体现,(2),能量守恒定律适用于任何物理现象和物理过程,(3),用能量守恒定律解题的方法,首先分析有哪几种形式的能在参与转化分别列出增加的能量与减少能量的表达式,利用,E,增,E,减,列式求解,即时应用,(,即时突破，小试牛刀,),某地强风速为,14m/s.,空气密度为,1.3 kg/m,3,若通过截面为,400 m,2,的风能全部用于使风力发电机转动,.,且风能的,20%,转化为电能,.,则通过这个截面的风的发电功率是多大,?,一,.,热力学第二定律的两种表述,(1),按照热传递的方向性表述为：热量不能自发地从低温物体传到高温物体,，这是热力学第二定律的,克劳修斯表述,.,(2),按照机械能与内能转化的方向性表述为：不可能从单一热库吸收热量，使之完全变成功，而不产生其他影响,.,这是热力学第二定律的,开尔文表述,.,第四节、热力学第二定律,第五节、热力学第二定律的微观解释（看书）,燃烧过程中燃烧的化学能要释放出来这些化学能最终将转化为什么能？,第六节 能源和可持续性发展,1,分散在环境中的内能不管数量多么巨大，它也不过能使地球、大气稍稍变暖一点，却再也不能驱动机器做功了这样的转化过程叫做,2,常规能源煤、石油、天然气等能源储存着高品质的能量，被利用时释放出来并最终转化为,的内能，能量虽然不会减少，但高品质的能源会减少，所以要,能量耗散,低品质,节约能源,3,能源的利用过程实际上是,的过程，利用常规能源不可避免地带来环境污染与破坏如温室效应、酸雨、化学烟雾等带来的恶性影响,4,当前，最具开发前景的新能源是,能量转化,太阳能,系统的内能流散到周围环境中，没有办法把这些内能收集起来加以利用，这种现象叫做能量耗散,能量从高度有用的形式降级为不大可用的形式叫品质降低能量在利用过程中，总是由高品质的能量最终转化为低品质的能量,.,(1),概念：能源是提供可利用能量的物质,(2),能源的分类,能源分类方法,能源分,类名称,特点,举例,按形成或转换特点分,一次能源,自然形成，未经加工,太阳能、风能、地热能、核能、潮汐能,二次能源,由一次能源经加工转换而成,焦炭、木炭、蒸汽、液化气、酒精、汽油、电能,按利用技术分,常规能源,已大规模正常使用,煤、石油、天然气、水能,新能源,正在开发，或有新的利用方式,太阳能、核能、地热能、海洋能、沼气、风能,能源分类方法,能源分,类名称,特点,举例,按可否再生分,可再生能源,可循环使用、不断补充,水能、风能、生物质能、地热能,不可再生能源,短期内无法转换获得,煤、石油、天然气、核燃料,按对环境污染情况分,清洁能源,对环境基本上没有污染,太阳能、海洋能、风能、水能,污染能源,会严重污染环境,化石燃料,(,煤、石油、天然气,),(1),能源是指能够提供可利用能量的物质，它是现代社会生活的重要物质基础,(2),常规能源是指已被广泛应用的能源，如煤、石油、天然气、水力等,(3),能源危机：按目前的消耗量，石油、天然气最多只能维持半个世纪 ，煤炭尚可维持一二百年,(4),环境污染：能源利用的过程也直接污染着地球环境，主要有温室效应、酸雨污染、臭氧层的破坏等,“,温室效应,”,是怎样形成的，有什么危害？,答案：,“,温室效应,”,的产生是由于石油和煤炭燃烧时产生的二氧化碳增加了大气中二氧化碳的含量它的危害是使地面气温上升、两极冰雪融化、海平面上升淹没沿海城市、海水向河流倒灌、耕地盐碱化等,下列对能量耗散的理解正确的有,(,),A,能量耗散说明能量在不断减少,B,能量耗散遵守能量守恒定律,C,能量耗散说明能量不能凭空产生，但可以凭空消失,D,能量耗散从能量角度反映出自然界的宏观过程具有方向性,(1),晓阳家每天大约需要,100kg,热水，用这种热水器将这些水从,25,加热到,45,需要多长时间？,(2),与效率为,80%,的电热水器相比，晓阳家每天可节约多少电能？,答案：,(1)3.9h,(2)2.9kW,h,太阳能是人类最基本的能源，它无污染、无费用，这种能源的使用期和太阳本身寿命一样长，当太阳光照射地面时，,1m,2,地面上在,1s,内平均得到的太阳辐射能约为,1.010,3,J.,太阳能热水器就是直接利用太阳能的装置，目前已经逐渐地出现在我们的生活中,晓阳在网上下载了某型号太阳能热水器的宣传广告：,